相变存储器中的单元状态确定制造技术

本发明专利技术提供用于确定相变存储器单元的状态的方法和装置。对单元进行多个测量，测量依赖于单元的亚阈值电流比对电压特性。处理测量以获得依赖于电流比对电压特性的斜率的度量。然后根据不同于绝对单元电阻、基本上不受漂移影响的这一度量确定单元的状态。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要地涉及相变存储器，并且更具体地涉及用于确定相变存储器单元的状态的方法和装置。
技术介绍
相变存储器(PCM)是利用某些硫族化物材料在具有不同导电率的至少两个状态之间的可逆切换的新型非易失性固态存储器技术。PCM快速、具有很好留置和耐久属性并且已经表明升级至将来光刻节点。出于这些原因而认为它有潜力备选或者补充如今的主流存储器和存储应用中的闪存。在商业上可用的PCM器件中，可以通过施加热将基本存储单位(“单元”)设置成晶态和非晶态这两个状态之一。在代表二进制O的非晶态状态中，单元的电阻高。硫族化物材料在加热至它的结晶点以上的温度然后冷却时被变换成导电晶态状态。这一低阻状态代表二进制I。如果然后将单元加热至硫族化物熔点以上的高温，则硫族化物材料在迅速冷却时恢复至它的非晶态状态。为了向PCM单元写入数据，向单元施加电压或者电流脉冲以将硫族化物材料加热至适当温度以在冷却之后引起希望的单元状态。为了读取单元，使用单元电阻作为度量来确定单元的状态。通过将单元偏置于某一恒定电压电平并且测量流过它的电流或者通过传递恒定电流并且测量跨越单元形成的电压来测量单元电阻。在单元的电流比电压特性的亚阈值(sub-threshold)区域中(即在阈值切换电压(即硫族化物切换至传导“接通”状态时的电压，电流可以在该状态流过单元以通过焦耳加热来加热它，因此潜在地引起相变)以下的区域中)执行这一测量。在这一亚阈值范围中，可以读取单元而不影响单元状态，高阻测量指示二进制O而低阻测量指示二进制I。PCM变成主流的关键要求是使成本/位降至与MLC闪存技术竞争的水平的多级单元(MLC)能力。多级存储器单元可以被设置成s个不同电阻级，其中s > 2，因此允许每个单元存储多于一个的位。例如NOR闪存可以每个单元存储四级，即两位。可以使用43nm工艺技术来每单个闪存单元存储四位数据(即十六级)的MLC NAND闪存芯片当前可用。在PCM单元中，通过利用硫族化物单元的部分非晶态状态来实现MLC操作。可以通过变化硫族化物材料内的非晶态状态的有效体积来设置不同单元级。这继而变化单元电阻。虽然商业上可用的PCM芯片当前每个单元存储仅一位，但是已经在实验上示范PCM芯片中每个单元存储四位。PCM器件中的问题是称为短期电阻漂移或者结构驰豫的物理现象，该现象经常简称为“漂移”。这一问题在MLC器件中尤其显著并且给PCM中的可靠MLC能力带来显著技术障碍。认为结构驰豫归因于相变材料的非晶态相中的局部原子重排，从而影响它们的导电率。具体而言，MLC PCM中的在非晶态状态或者在部分非晶态状态编程的PCM单元的电阻在时间上向上移位并且也受温度影响。因此，观测在不同时间瞬间测量的单元电阻按照随着时间增加而增加的趋势波动。对这一电阻移位有贡献的事件在性质和出现时间上是随机的，因此很难预测和减轻。由于电阻移位，因此与不同单元状态(在活跃体积内的非晶态/晶态材料相的配置)对应的不同电阻级可以在随机时间瞬间相互重叠，从而造成单元状态确定的随机错误。已经提出许多技术以解决电阻移位问题。一种技术涉及到使用参考单元，其中出于漂移减轻的目的而保留储存器单元总体的某一部分。将这些参考单元中的每个参考单元编程至特定单元状态，并且按照规律间隔监视这些单元的电阻以观测用于其它单元(即用于实际用户数据存储的单元)的电阻漂移的估计。然后，以获得无漂移影响的电阻级为目的，从对用户单元的测量去除估计的漂移。这样的基于参考级的漂移抵消的效果主要依赖于相似单元的状态表现相似漂移特性的假设。然而在不可避免地存在显著单元间可变性(由在更小单元尺度增加的过程变化引起)和单元内参数变化(主要由材料变化引起)时，这一假设的有效性值得怀疑从而导致有缺陷的漂移抵消。漂移加速是用于应对漂移的另一提议。在对存储器单元编程期间(或者之后)，在某一(足够低)温度对单元退火一段时间，以由此根据阿列纽斯关系(Arrheniusrelation)加速漂移影响。假设单元电阻在退火之后未显著漂移。实验尚未充分证实这一方式的有效性。另外由于热激活相变现象，所以单元退火可能导致不期望的单元状态扰动。也已经提出编码技术以应对漂移。这里，没有单独地而是在单元块(码字)中编程和读取存储器单元。在这些码字中添加的冗余性旨在使码字不受漂移影响，并且提供在解码时无错误取回信息。尽管漂移编码可以是潜在强大技术，但是它的有效性通常随着所用代码的冗余性而伸缩。更高冗余性不利于可用于存储实际用户数据的存储器容量。通常仅容许最少冗余性，并且这可能减少代码在应对漂移时的有效性。
技术实现思路
本专利技术一个方面的一个实施例提供一种用于确定相变存储器单元的状态的方法。该方法包括进行依赖于单元的亚阈值电流比对电压特性的多个测量；处理测量以获得依赖于所述电流比对电压特性的斜率的度量；并且根据所述度量确定单元的状态。在本专利技术的一些实施例中，运用如下度量，该度量依赖于单元的亚阈值电流比对电压(Ι/v)特性的斜率，即在阈值切换电压以下的I/V特性斜率。亚阈值I/V特性的斜率依赖于电阻微分(即电阻导数)、但是不依赖于任何绝对电阻值。尽管单元电阻如上文讨论的那样随着时间显著变化，但是在亚阈值范围中Ι/v特性的斜率保持随着时间几乎不变。这是因为亚阈值Ι/v斜率是单元内的非晶态相的有效体积的函数。有效非晶态体积又是单元状态的良好测量并且尤其地是不受漂移影响的测量，因为已知漂移不影响非晶态相的几何形状(假设漂移归因于非晶态相内的缺陷湮灭、但是不影响总非晶态体积)。体现本专利技术的一些方法利用亚阈值I/V斜率以获得基本上不随着漂移变化的单元状态度量。具体而言，在本专利技术的一些实施例中使用的度量基本上不受漂移影响，即它除了不可避免的噪声波动之外保持随着时间基本上恒定。由于亚阈值Ι/v斜率是单元内的有效非晶态体积的函数，并且因此是单元状态测量的函数，所以继而前述度量也是单元状态的特性并且因此可以用来在MLC PCM中的不同状态之间区分。如下文进一步描述的那样，对实际PCM单元阵列的实验结果示范这一陈述的有效性和这一度量作为单元状态测量的效率。因此，通过使用描述的度量，本专利技术的一些实施例提供用于以取回的信息不受漂移影响的方式确定PCM单元的状态的方法。根据本专利技术一些实施例的方法可以不关于漂移性质本身进行任何假设，并且可以不造成用户存储容量的内在损失。本专利技术的一些实施例因此可以提供改进用于PCM阵列的单元状态确定从而总体上促进增强的MLC能力和PCM器件的高效操作。前述度量可以用多种方式根据这一斜率直接或者间接依赖于亚阈值I/V特性的斜率。要点在于度量以某一方式与亚阈值Ι/v斜率有关，并且因此不直接依赖于单元的绝对电阻，后者如上文讨论的那样受漂移影响。换而言之，根据本专利技术的一些实施例，可以基于独立或者基本上独立于绝对单元电阻的度量确定PCM单元状态。根据本专利技术的一些实施例，为了推导度量，对单元进行至少两个测量，这些测量(直接或者间接)依赖于亚阈值I/V斜率。如下文进一步描述的那样，可以进行多于两个测量以允许平均并且提高精确性。然后可以用多种方式处理所得测量以获得用来评价单元状态的最终度量。例如，一些实施例可以包括以不同单元偏置电压进行单元电流的多个测量，度量依赖于以不同偏置电压测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.31 EP 10174613.91.一种用于确定相变存储器单元的状态的方法，所述方法包括: 进行依赖于所述单元的亚阈值电流比对电压特性的多个测量； 处理所述测量以获得依赖于所述电流比对电压特性的斜率的度量；并且 根据所述度量确定所述单元的状态。2.如权利要求1所述的方法，用于确定s级相变存储器单元的状态，其中s> 2，所述方法包括通过将所述度量与指示所述单元的所述s级的多个参考值进行比较来确定所述单元的状态。3.如权利要求1或者2所述的方法，包括在不同单元偏置电压进行单元电流的多个测量，其中所述度量依赖于在所述不同偏置电压处的所测量的单元电流的函数的差值。4.如权利要求1或者2所述的方法，包括针对所述不同的施加单元电流进行跨越所述单元的电压的多个测量，其中所述度量依赖于在所述不同的施加电流处的所测量的单元电压的函数的差值。5.如权利要求1或者2所述的方法，包括在所述电流比对电压特性上的不同点处进行单元电阻的多个测量，其中所述度量依赖于在所述不同点处的所测量的单元电阻的函数的差值。6.如权利要求3至5中的任一权利要求所述的方法，其中所述测量值的函数包括该值的对数。7.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述度量依赖于所述单元中的有效非晶态厚度(Ua)。8.如权利要求7所述的方法，其中所述度量包括所述单元中的有效非晶态厚度(Ua)的估计。9.如任一前述权利要求所述的方法，进行多于两个的所述测量，其中所述处理包括平均化过...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·S·埃里弗塞里乌，A·潘塔齐，N·帕潘德雷乌，C·伯津迪斯，A·塞巴斯蒂安，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：
国别省市：